Позвоните нам: (812) 640 16 73
или закажите обратный звонок

Заказ обратного звонка

"Нагельный эффект"

Исследование сопротивления срезу балок без поперечной арматуры из напрягающего бетона. Настоящая работа является своего рода постановочной, в части изложения взглядов на оценку вклада различных факторов (учитываемых и учитываемых при расчете) в общее сопротивление срезу изгибаемого элемента без поперечной арматуры.

Мнения исследователей, как у нас, так и за рубежом, расходятся в оценке того или иного фактора. Не случайно, с долей известного прагматизма, нормативные документы многих стран оценивают сопротивление срезу элементов без поперечной арматуры по эмпирическим формулам в той или иной степени отражающих результаты экспериментальных исследований.

Анализируя ранее выполненные исследования, основное внимание здесь обращается на поведение продольной арматуры.

Факторы, влияющие на прочность железобетонного элемента без поперечного армирования по наклонному сечению

Поведение изгибаемых элементов без поперечного армирования и сегодня вызывает споры в научном мире [21]. . .

Современная философия в механизме передачи среза в железобетонных элементах базируется на факте, что железобетонный элемент с трещинами воспринимает большую нагрузку, чем предполагалось, исходя из напряжённо деформированного состояния и формирования новой структуры сопротивления.

Ещё G.N.J. Kani [3] в 1966 году отметил, что общее сопротивление железобетонного элемента без поперечной арматуры с трещинами срезу складывается из трёх основных составляющих:

1. Сопротивления срезу бетона под наклонной трещиной;
2. За счёт сил зацепления;
3. За счёт нагельного эффекта.

Споры ведутся даже о том, что принять для таких элементов за разрушающую нагрузку и мнение ряда исследователей [2] — принять за основу нагрузку появления наклонных трещин, особенно для элементов, не имеющих преднапряженной арматуры — не лишено оснований.

Из рассмотренных выше факторов нагельный эффект является наиболее спорным. Во-первых, нет единого мнения среди исследователей относительно того, существует ли он вообще, а если существует, то какова его роль в передаче среза. Особенно когда трещина раскрылась (силы зацепления по берегам наклонной трещины малы) и жесткость бетона под наклонной трещиной, в виду пронизанности ещё микротрещинами незначительна, почти вся нагрузка должна восприниматься продольной арматурой. Во-вторых, нет единодушия в вопросе о значении диаметра арматуры в прочность нагеля.

Обоснование природы нагельного эффекта

Что же такое нагельный эффект?

Нагельный эффект — это способность арматуры передавать усилие перпендикулярно своей оси. Этот эффект появляется когда происходит явление скольжения двух берегов наклонной трещины. И этому скольжению препятствует помимо силы зацепления по берегам трещины еще и пересекаемая этой наклонной трещиной продольная арматура. И как результат, деформации нагеля могут определяться как разница в деформациях двух блоков, разделенных наклонной трещиной.

Общая деформация нагеля будет складываться из деформаций бетона(Δ1 + Δ2) и деформаций нагеля на свободной длине (ширине раскрытия трещины). Очевидно, что наибольшие деформации будут у нагеля на свободной длине.

Рис. 2. Перемещения в нагеле под действием перерезывающей силы.

В своих работах американский ученый T. Paulay [4] выделил в зависимости от свободной длины три механизма работы нагеля:
1) изгиб — особенностью этого механизма является образование пластического шарнира;
2) срез — нагрузка передается через чистый срез;
3) образование петли — появляется, когда происходит значительный сдвиг между двумя осями арматуры, и представляет собой составляющую осевого усилия перпендикулярно оси арматуры.

Рис. 3 Вид изгиба нагелей в зависимости от свободной длины [4].

Из вышесказанного следует, что с увеличением диаметра арматуры изгиб наступит раньше, чем срез или образование петли, потому что вероятность изгиба пропорциональна Ø3 (ØAs), в то время как срез и образование петли пропорциональны Ø2, где Ø — диаметр арматуры.

В зависимости от работы нагеля можно выделить два механизма разрушения:
1) модель 1 — напряжение в арматуре достигает предела текучести и происходит раскалывание бетона под нагелем;
2) модель 2 — разрушение бетона по сжатой полосе.

Очевидно, что величина защитного слоя является важным параметром в работе нагеля при различных моделях разрушения. Когда величина защитного слоя превышает 6-7 диаметров продольной арматуры, происходит разрушение по модели 2, т.е. разрушение бетона сжатой полосы. При малых величинах защитного слоя (что имеет место в железобетонных балках) происходит раскалывание бетона с образованием наклонной трещины в нижней части.

Теории и эксперименты, описывающие нагельный эффект

Много теорий было выдвинуто и проведено достаточно экспериментов, в изобилии породивших количество факторов, влияющих на работу нагеля. Вид и число этих факторов очень обширно и во многом зависит от автора. Это разнообразие нашло отражение в предложенных ими формулах, определяющих прочность нагеля. Из выдвинутых формул можно сделать следующие выводы: при разрушении по модели 2 основными факторами являются: диаметр арматуры, прочность бетона и величина защитного слоя. Разрушение по модели 1 во многом определяется диаметром арматуры, прочностью бетона и прочностью арматуры.

Многие авторы выделяют еще и другие факторы, влияющие на работу нагеля, но в этих факторах не наблюдается единодушие. Рассмотрим ряд формул. Отметим, что все формулы эмпирические и описывают разрушение по модели 2 (разрушение по сжатой полосе).


a) Krefeld и Thurston [3]:

где ρ — пролет армирования;
с — величина защитного слоя;
b — ширина сечения;
d — рабочая высота;
x — расстояние от опоры до диагональной трещины;
fcc — прочность бетона на сжатие.
b) Taylor [4]:

где cs — боковая величина защитного слоя;
ci — расстояние по горизонтали между продольной арматурой;
fct — прочность бетона на растяжение;
c) Baumann и Rusch [5]:

где bb — чистая ширина балки;
db — диаметр арматуры.
d) Houde и Mirza [6]:

e) Jimenez, Gergely и White [7]:

где nb — количество арматуры в одном уровне;
cm — наименьшее из защитных слоев.
f) Paschen и Schonhoff [8]:

где — величина защитного слоя перпендикулярно направлению приложения нагрузки;
c|| — величина защитного слоя параллельно направлению приложения нагрузки.
Можно отметить, что половина из вышеперечисленных формул содержит диаметр арматуры, создавая ошибочную идею, что с увеличением диаметра арматуры пропорционально увеличивается прочность нагеля.
Интересные исследования по изучению работы нагеля были проведены Paulay. Он покрывал парафином поверхности двух контактирующих блоков, чтобы исключить силы зацепления, и изучал только работу арматуры и процента армирования. Из проведенных опытов он сделал следующие выводы:
1. Величина нагрузки, воспринимаемая нагелем, пропорциональна общей площади арматуры, а не ее диаметру, при срезе и образовании петли.
2. Эффект образования петель наблюдается при небольшом диаметре арматуры.
3. Учитывая, что нагельный эффект вызван большими перемещениями, нагель нельзя использовать как надежное средство восприятия перерезывающей силы.
4. Для практических расчетов можно пренебречь вкладом нагеля в общее сопротивление срезу.

Рассмотрим два чрезвычайных случая разрушения балки от действия перерезывающих сил. В обоих случаях варьируемым параметром является диаметр арматуры при одинаковом проценте армирования. В первом случае используется тонкая проволока, чтобы работа нагеля была минимальной. Во втором случае, наоборот, используются толстые стержни.

При незначительном нагельном эффекте наблюдается большой разброс в величине разрушающей нагрузки, вызванный различными моделями разрушения. Предельная нагрузка уменьшалась с увеличением количества арматуры (т.е. уменьшением диаметра). Разрушающая нагрузка была для всех балок одинаковая. Можно сделать вывод, что нагельный эффект является важным механизмом в восприятии железобетонным элементом среза.

Большие исследования были проведены Jelic I., Pavlovic M.N. и Kotsovos M.D. [9]. Ими были испытаны однопролетные балки длиной 1000 мм с пролетом среза 3.5, что обеспечивало разрушение от среза. Нагрузка прикладывалась постепенно с помощью домкрата. Размеры сечения 100×50мм.

Рис. 4 Сечение экспериментальных балок.
Образцы изготавливали на мелком заполнителе (3.16мм) для лучшей удобоукладываемости. Кубиковая прочность после 28 суток равнялась 48 kH. Состав цемента 1 : 2.5 : 0.52 Ц : П : В.
Четыре различных типа продольной арматуры с различным пределом прочности использовались в опытах: Ø2мм — мягкая арматура; Ø4 и Ø8мм — средней прочности и Ø10 — высокопрочная арматура. Размещение арматуры показано на рис.3. Процент армирования и рабочая высота во всех балках приблизительно одинаковые.
Результаты испытания балок.
Табл. 1
Диаметр арматуры, мм Серия
1 2
10 17,79 16,79
8 20,08 16,37
4 17,12 17,06
2 17,44 19,87

Все балки разрушились в результате среза.

Рис. 5 Зависимость разрушающей нагрузки от диаметра арматуры [9].

Приводя результаты [5] я преследовал одну цель: показать, как при на первый взгляд очевидных результатах можно сделать не совсем корректные выводы.

Ведь, рассматривая разные диаметры при неизменном общем содержании продольной арматуры, автор [5] не учитывает площадь бетонного сечения, участвующего в виде арматурного пояса, а его размеры, в свою очередь, уменьшают раскрытие наклонной трещины, не увеличивая роль сил зацепления.
Очевидно, что следует учитывать это взаимодействие факторов.

Заключение



1. Так как большинство формул описывающих нагельный эффект носят эмпирический характер, это ещё раз подтверждает что природа нагельного эффекта до конца не изучена.
2. Результаты экспериментов показывают, что при постоянном проценте армирования, предельная разрушающая нагрузка для всех балок приблизительно одинаковая, не зависимо от диаметра арматуры и прочности стали.
3. Анализ исследований свидетельствует о том, что, на наш взгляд, допускается методическая погрешность при постановке опытов, а именно: исследуемый фактор варьируется при неизменных остальных условиях. В реальности существует весьма гибкая система взаимодействия факторов, которая находится в состоянии постоянного изменения.
4. Вклад (значимость) каждого фактора следует определять в процессе анализа напряженно-деформированного состояния, начиная с исходного напряженного состояния до граничного состояния.
Автор: СИСТЕМА 2 Google

С чего начать и как с нами связаться

Напишите info@sis2.ru или позвоните 8 (812) 640-16-73 прямо сейчас не откладывая!

Примите нас на полезную личную встречу. Мы приедем к вам сами!

Получите личное спецпредложение на стройматериалы.